Термодинамика локальных процессов в сплошной жидкой среде и атмосфере

Актуальность проблемы.

Термодинамические процессы естественного или искусственного происхождения., проходящие в сплошной жидкой среде, т. е., в жидкости или газе, часто имеют локальный и стационарный характер. Вследствие того, что в ограниченной области происходит сосредоточение энергии, локальные процессы, как правило, более интенсивны, чем процессы, распределенные в пространстве.

Ураганы, смерчи, грозо-градовые процессы — это мощные локальные процессы в атмосфере. Эти процессы единовременно охватывают сравнительно небольшой объем воздушного пространства, однако благодаря своей интенсивности оказывают большое влияние на жизнь планеты, существенно влияя на климат в целом. Порой они вызывают стихийные бедствия, последствия которых сказываются на жизни регионов и целых государств в течение ряда лет.

С тем, чтобы уменьшить последствия опасных атмосферных процессов используются две возможности. Первая — пассивная: организация системы мониторинга опасных явлений погоды с целью своевременного предупреждения промышленных и сельскохозяйственных предприятий и населения об ожидаемом бедствии. Вторая — активная: воздействие на атмосферные процессы таким образом, чтобы направить их развитие в желаемом направлении. При реализации этой второй возможности мониторинг еще более необходим, чем при пассивном наблюдении.

Впервые локальный процесс в виде одной из возможных формодномерной уединенной волны (солитона) — наблюдался и был введен в научное общение известным английским ученым и инженером Дж. Скоттом Расселом. Эта волна сформировалась после остановки баржи в узком канале и сохраняла форму на протяжении нескольких миль до своей диссипации. В конце 19-ого века голландские ученые Кортевег и де Фриз при изучении волн на мелкой воде получили и точно решили одномерное нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных, приведшее к уединенной волне.

Широкомасштабное теоретическое исследование солитонов как решений некоторых нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных началось в 70-ые годы нашего века. В настоящее время известны десятки эволюционных уравнений, приводящих к солитонным решениям. Среди них наиболее известны уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КдФ), модифицированное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение мКдФ), нелинейное уравнение Шрёдингера, уравнение sin-Гордон, уравнение sh-Гордон, уравнение Буссинеска, уравнение Кадомцева-Петвиашвили или двумерное уравнение Кортевега-де Фриза (уравнение КП), двумерное уравнение sin-Гордон. Развиты методы решения подобных уравнений.

Эти уравнения находят практические приложения, порой неожиданные, как, например, при описании явления самофокусировки при распространении луча в нелинейной среде.

Было установлено, что при внешних воздействиях солитоны обладают устойчивостью подобно частицам микромира (электрон, нейтрон и др.). По аналогии с этими терминами и используя слово soli trary — уединенный, имевшееся в первой публикации Дж. Скотта Рассела, солитон получил свое название в 1964 г. В соответствии с определением [Абловиц М.Д., Сигур Н. Солитоны и метод обратной задачи, 1987] солитонами называются любые локализованные нелинейные волны, которые, взаимодействуя с произвольными локальными возмущениями, всегда восстанавливают свою форму.

Таким образом, существующий теоретический подход при исследовании локальных процессов направлен на построение нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, адекватно описывающих физическое явление, поиск их решений, среди которых могут быть солитонные, и анализ самих решений.

На этом пути имеется ряд трудно преодолимых препятствий принципиального и технического характера.

1. Исходные свойства локальных термодинамических процессов не в полной мере соответствуют свойствам солитона, определенным выше. Ввиду этого для описания локальных процессов различного вида, не подпадающих под определение уединенной волны, употребляются термины: квазисолитон, модон, солитоноподобное возбуждение, ламп (двумерный солитон) и другие.

В настоящей работе преимущественно исследуются двумерные и трехмерные локальные процессы (коротко локалы) различного типа и мы не используем какого либо другого термина для их названия.

2. Многие локальные реальные процессы настолько сложны, что более или менее адекватная система уравнений не находит аналитического решения.

Указанные выше трудности в полной мере относятся к локальным термодинамическим процессам в атмосфере. При построении системы дифференциальных уравнений необходимо учесть множество факторов (например, фазовые переходы воды и выпадение осадков различного типа). В результате эта система становится необозримой. Решение невозможно получить в аналитической форме, а свойства решения далеко не всегда соответствуют свойствам классического солитона.

Применение численных методов при исследовании атмосферных процессов встречает свои трудности. Среди проблем — тяжело выполнимые требования по информации о начальных условиях из-за ее большого объема, неустойчивость получающихся решений и большие требования к быстродействию и объему оперативной памяти компьютеров. Быстрый прогресс вычислительной техники, происходящий в последнее время, не в состоянии компенсировать другие трудности.

В то же время накоплен значительный наблюдательный материал, который позволил выявить характерные особенности, провести классификацию, определить усредненные параметры интенсивных локальных атмосферных процессов. В частности, для грозо-градовых процессов определены типовые высоты, площадь, особенности структуры, зарождения, роста и диссипации градовых ячеек, скорость и направления перемещения процесса в целом, скорость воздушных потоков, микрофизика зарождения града и т. д. Предложены упрощенные зависимости, позволяющие рассчитать отдельные параметры процессов, однако общие соотношения отсутствуют. Выявлена сложная структура грозоградового процесса, элементами которой являются более простые локальные процессы меньшего масштаба. Один из таких элементов, определяющий интенсивность процесса в целом, — восходящая воздушная струя.

Существенным фактором, определяющим достоверность и информативность наблюдательных данных, являются методы и средства измерений. При изучении атмосферных процессов используются прямые и дистанционные методы. Посредством измерительных приборов, установленных на борту самолета, вертолета, на воздушном шаре или на ракете, получают точные непосредственные данные о параметрах атмосферы по линии полета летательного средства. Однако таким образом нельзя получить полную информацию о пространственной структуре процесса в целом.

Посредством метеорадиолокатора (МРЛ) осуществляют практически одномоментное дистанционное зондирование атмосферы в полусфере обзора при дальности до 300 км. При надлежащем выборе длины волны радиолокационный луч способен пронизать облако, что открывает возможность получить полной информации об облачности.

Качество метеорадиолокатора как измерительного прибора определяют такие параметры как достоверность, точность, разрешающая способность, способность идентифицировать тонкую структуру сигнала. С применением объективных автоматизированных методов становится возможным обработать практически всю получаемую информацию и выделить особенности тонкой локальной структуры метеоцели в реальном времени. Однако необходимо учитывать неточность и пространственные искажения, присущие метеорадару как измерительному средству. Свои сложности привносит и статистическая природа облака как объекта наблюдений, определяющая шумовую природу отраженного от него радиолокационного сигнала.

Таким образом, теоретическое изучение локальных атмосферных процессов, создание средств их наблюдения, получение наблюдательных данных и их сопоставление с теоретическими результатамикомплексная задача, которая может быть решена только при едином всестороннем подходе.

Цель работы.

Целью работы является: построение общей модели и исследование локального термодинамического процесса в сплошной жидкой средев рамках общей модели построение и исследование мезомасштабных локальных процессов в атмосферетеоретическое обоснование и решение отдельных практических задач радиолокационного отображения локальных процессов в атмосфере.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие проблемы:

— построение и анализ общей модели (квази) стационарного локального термодинамического процесса в сплошной жидкой среде;

— введение комплекса интегральных характеристик локального термодинамического процесса и изучение их взаимозависимостей;

— исследование движения и силового равновесия локального термодинамического процесса как целого;

— анализ силового воздействия полей скорости и массовой силы в подвижной жидкой среде на локальный термодинамический процесс;

— построение модели и изучение локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика);

— исследование достоверности и точности отображения локальных метеоцелей при радиолокационном зондировании атмосферы;

— решение отдельных практических задач по расчету термодинамических характеристик и наблюдению за локальными процессами в атмосфере при их естественном развитии и искусственном воздействии;

— сопоставление теоретических выводов и имеющихся данных наблюдений.

Научная новизна работы.

Автором впервые получены следующие результаты.

1. Предложена общая модель локального термодинамического процесса в целом неподвижной сплошной жидкой среде, в рамках которой получены взаимозависимости интегральных параметров: уравнение движения, уравнения силового равновесия по осям и глобальное уравнение силового равновесия.

2. Проведена классификация и определены соотношения интегральных параметров для слабо и сильно локализованных процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра, статических и динамических, двумерных и трехмерных.

4. Исследовано движение локального термодинамического процесса как целого в подвижной сплошной жидкой среде и получено уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс в полях массовой силы и скорости вещества в среде в целом.

5. В рамках общей модели локального процесса построены идеализированные модели, изучено движение и силовое равновесие локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи грозо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика).

6. Поставлены и решены задачи оптимизации обнаружения, исследования точности, измерения параметров и оценки разрешающей способности при радиолокационном отображении локальной метеоцели.

7. Решены отдельные практические задачи по расчету термодинамических параметров локальных процессов в атмосфере при естественном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению.

8. Корректность полученных теоретических выводов и эффективность практических решений подтверждена отдельными наблюдениями локальных облачных процессов.

Практическая ценность работы.

Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, были выполнены в соответствии с общегосударственными научно-техническими программами ГКНТ, планами НИР и ЦНТП Росгидромета (темы: III.19.3., Ш. 1.1., Ш. 1.З., III.5.1., ЦНТП-5: '1.5.1.1., 1.5.1.3., 1.5.1.5., 1.5.1.7., 1.5.2.1.), предусматривающими проработку теоретических проблем, связанных с атмосферными процессами при их естественном развитии и искусственном воздействии, разработку методов и средств наблюдения за облачностью, воздействия на нее и оценки результатов этого воздействия.

Автором был выполнен ряд хоздоговорных тем, связанных с разработкой автоматизированных радиолокационных методов, аппаратуры и проведением соответствующих исследований, в частности, РМ-5/80 по заказу Всесоюзного НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) и «Грань» по заказу концерна «Ленинец» .

Отчеты по указанным выше научным и хоздоговорным темам были приняты с высокой оценкой.

При непосредственном участии автора поставлен и решен ряд теоретических и практических задач термодинамики атмосферы, искусственного увеличения осадков и метеорадиолокации, включая проведение теоретических исследований, подготовку методических указаний, разработку аппаратуры, проведение натурных экспериментов и оценку их результатов.

В частности, результаты этих исследований используются с 1986 года для выполнения производственных работ по искусственному увеличению осадков на Северном Кавказе (Ставропольский край, Ростовская область, Республика Калмыкия) с целью интенсификации сельскохозяйственного производства на посевной площади 2,5 млн. га зерновых. Средний ежегодный физический эффект этих работ составляет 10−15% увеличения осадков.

На защиту выносятся:

— общая модель локального термодинамического процесса (лока-ла) в сплошной жидкой среде, неподвижной в целом, взаимозависимости интегральных параметров для этой модели;

— классификация локальных процессов и соотношения интегральных параметров для стационарного и квазистационарного процессов, для статического и динамического процессов, для смещающегося в среде и неподвижного процессов, для процессов, имеющих ядро и не имеющих ядра;

— модель локального термодинамического процесса в подвижной сплошной жидкой среде и уравнение для интегральной силы, действующей на этот процесс-,.

— аналогии движения локала в сплошной жидкой среде и твердого тела во вращающемся пространстве, а также движения локала и заряженной частицы в электромагнитном поле и соответствующие взаимозависимости параметров;

— модели и расчетные соотношения для локальных термодинамических процессов в атмосфере: восходящей воздушной струи гро-зо-градового процесса и всплывающего воздушного пузыря (термика);

— алгоритмы и структурные схемы устройств, обеспечивающие оптимальные обнаружение, измерение параметров и разрешающую способность при радиолокации локальных метеоцелей;

— решения отдельных практических задач по расчету параметров локальных термодинамических процессов в атмосфере при естественном развитии и искусственном воздействии и по их наблюдению;

— результаты сопоставительного анализа теоретических выводов и данных наблюдений.

Личный вклад автора.

В диссертацию вошли результаты теоретических исследований, полученные автором лично. Вклад автора являлся определяющим при получении в составе соавторов практических результатов, также вошедших в диссертацию. Автором лично проведен заключительный анализ и интерпретация общих результатов, получены выводы и дано обоснование для практического применения.

В связи с существующими ограничениями к объему диссертационной работы в нее, к сожалению, не удалось включить многие результаты и целые разделы, касающиеся в основном практических вопросов реализации систем и проведения наблюдений, полученные в составе авторских коллективов, подтверждающие теоретические выводы автора и представленные в списке литературы.

По теме диссертации автором ранее опубликовано: одна монография, бб статей, из них лично — 24, с соавторами — 42, сделано 10 изобретений, три из которых внедрены в аппаратуру, выпускаемую серийно промышленностью.

Апробация работы.

Основное содержание работы было представлено и докладывалось на семинарах и итоговых сессиях организаций и учреждений Росгидромета и других ведомств России и СССР, международных конференциях: IV Всесоюзной конференции по лазерам и газоразрядным приборам (Рязань, 1974), 6-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Таллин, 1982), Межведомственном Всесоюзном совещании по методам дистанционного зондирования атмосферы (Минск, 1983), 7-ой Всесоюзной конференции по радиометеорологии (Суздаль, 1986), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных (Юрмала, 1986), Всесоюзной конференции по физике облаков (Нальчик, 1987), V Всесоюзном семинаре-совещании по ИУО (Ставрополь, 1990), Всесоюзной конференции по методам и средствам дистанционного зондирования атмосферы (Киев, 1991), Всесоюзной конференции по АВ на гидрометеопроцессы (Нальчик, 1991), VI Международной конференции ВМО по модификации погоды (Пестум, Италия, 1994 г.), XII Международной конференции по облакам и осадкам (Цюрих, Швейцария, 1996 г.), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометпроцессы (Нальчик, 1997), Международном симпозиуме по гидрометеорологии (С.-Петербург, 1997), Международной выставке «Гидрометеорология — человеку» (С.-Петербург, 1997).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы.

Выводы.

Задача определения эффекта воздействия при искусственном увеличении осадков в реальном масштабе времени очень важна. Решение этой задачи позволяет оперативно контролировать ход воздействия и вносить необходимые поправки при его проведении.

Наиболее приемлемым при построении автоматизированных систем является использование первоначальных эффектов воздействия, таких как усиление турбулентности, увеличение ЭПР и повышение верхней границы облаков. Эти эффекты доступны для метеорадиолокационного наблюдения на расстоянии до 200 км при высоком разрешении. В отличие от этих эффектов, конечный эффект воздействия (выпадение осадков) неудобен для наблюдения посредством радиолокатора. На больших расстояниях снижение нижней границы облаков (что свидетельствует о выпадении осадков) не видно из-за кривизны поверхности Земли. А на малых расстояниях велико мешающее действие местных предметов.

Рассматриваемый алгоритм основан на использовании метода «исторического ряда». Этот метод позволяет учесть тренд изменения параметров облаков, выбранных для воздействия. Использование метода «контрольных территорий» (контрольных облаков) представляется затруднительным, так как на практике выбор облаков для воздействия производится по неформальным признакам. Это приводит к невозможности подбора аналогичных облаков для сравнения в рамках простых алгоритмов.

При построении алгоритма за основу взяты простая модель турбулентного переноса реагента после воздействия и предположение о линейной связи эффекта воздействия с количеством внесенного реагента, На этой основе построен сравнительно простой алгоритм для выделения эффекта воздействия, допускающий удобную реализацию при 1 л г/ -г я | г.

1(1) -Г I м у 1 I Iг I.

11) () >^ 11 О II г I |-(1 I / | I К (• I 1.

— ч/ ^ «обработки,.

— | 1 — т/ I- 'рация, ко~ гдартнои).

Л ] н.

ТОбра.жении ропедством Л.

Метеорадао-I I локатор 1.

Устройство сопряжения.

ДвтомзтивиЬованнэя.

Преобразование полярных координат в декартовы паоаметры облачности.

Устройство !сопряжения тгачные о~момёнте и параметрах воздействия.

АРХИВ.

Определение напоавления и скорости перемещения облаков в = - «'] воздействии ч Ш.

Приведение положения облаков к моменту в, = 0 ч.

Дополнительное ос го оеднение по ризонтали.

Весовое суммирование по высоте.

Рис. ь!. Программно-технический комплекс при определении эффективности воздействия с целью ИУО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Локальные процессы — важная и часто встречающаяся разновидность процессов, происходящих в сплошной жидкой среде. Локальный процесс (локал) — это возмущение в некоторой области — области локализации процесса (ОЛП), сопровождающееся изменением одного или нескольких физических параметров, таких как давление, плотность, скорость, сторонняя сила, температура по сравнению с их значениями на большом удалении.

Если локальный процесс и среду в целом разделяют поверхности разрыва параметров, то эти поверхности и являются границами ОЛП. Однако чаще такие поверхности отсутствуют и с увеличением расстояния интенсивность процесса уменьшается постепенно. В этом случае границы ОЛП выделяются условно, так, чтобы локальная интенсивность процесса в произвольной точке вне ОЛП была близка нулевой.

Наряду с локальными параметрами важны интегральные параметры, которые характеризуют процесс как единое целое. Ряд этих параметров определяется интегралами по объему ОЛП от локальных параметров плотности, давления, скорости и др. Среди них: разностная масса, кинетическая энергия эквивалентного твердого тела, интегральное количество движения, суммарная кинетическая энергия, интегральное разностное давление, введенный нами интегральный скалярный момент силы, который характеризует общее растянутое или сжатое состояние вещества в ОЛП.

Многие интегральные параметры определяются интегралами от локальных параметров по поверхности ОЛП. Среди них суммарная сила, действующая на вещество в ОЛП, расход массы, количества движения и кинетической энергии и др. Эти интегралы определяют взаимодействие ОЛП в ее принятых условных границах и среды в целом.

Процессы, для которых можно выделить достаточно большую ОЛП, такую, чтобы указанные интегралы по поверхности имели практически нулевые значения считаются нами сильно локализованными. Таким образом, при надлежащем выборе ОЛП сильно локализованные процессы не взаимодействуют со сплошной среды вне ее.

Для слабо локализованных процессов при произвольном расширении ОЛП хотя бы некоторые интегральные параметры, определяющие взаимодействие ОЛП и среды, имеют пределом ненулевые значения.

2. Первоначально исследовано движение и силовое равновесие ОЛП для баротропных, стационарных, сильно локализованных процессов.

Показано, что существуют взаимозависимости интегральных параметров:

— равенство интегрального скалярного момента силы давления трем величинам интегрального разностного давления;

— уравнение линейной связи интегральных разностных давления и массы;

— уравнение движения, т. е. зависимость между количеством движения, разностной массой и скоростью локала;

— уравнение силового равновесия локала как единого целого по оси, соответствующей направлению движения локала в сплошной среде, в которое входят перечисленные выше интегральные параметры;

— уравнение силового равновесия локала как единого целого по ортогональным осям к направлению движения локала;

— глобальное уравнение силового равновесия локала как единого целого;

Глобальное уравнение равновесия — наиболее общее равенство, включающее в себя интегральные силовые, динамические и энергетические параметры локала.

Показано, что для квазистационарных процессов указанные выше зависимости сохраняют свою форму, но некоторые интегральные параметры представляются усредненными по времени значениями.

В зависимости от соотношений или величины параметров, входящих в глобальное уравнение равновесия и уравнения равновесия по координатам, выделены следующие классы локальных процессов:

— статический процесс (давление и плотность в ОЛП отличается от этих параметров на большом удалении, вещество всюду неподвижно);

— статический процесс по одной из осей;

— неподвижный процесс (ОЛП неподвижна в сплошной среде в целом) ;

— продольный процесс (движение вещества в ОЛП происходит вдоль направления смещения локала в сплошной жидкой среде);

— поперечный процесс (движение вещества в ОЛП происходит в основном ортогонально направления смещения локала в сплошной жидкой среде);

— квазиидеальный процесс (интегральный скалярный момент сторонней силы равен нулю);

— квазиидеальный процесс по одной оси;

— плоский (или двумерный) процесс.

Эта классификация позволяет существенно упростить рассмотрение при практическом применении теоретических результатов.

3. Многие локальные процессы естественного и искусственного происхождения не могут считаться сильно локализованными. Для них существенны движения вещества, которые могут происходить вне ОЛП, и силы, распределенные в среде в целом. Это относится, в частности, к всегда неспокойной атмосфере Земли, находящейся под влиянием силы тяжести.

Получено основное уравнение динамики локала для силы, действующей на ОЛП, в полях массовой силы и скоростей вещества в среде в целом. Указанная сила имеет две составляющие. Одна — векторное произведение количества движения локала на ротор невозмущенной скорости среды в ОЛП. Другая равна произведению одной из автомодельных характеристик локала, плотности массовой силы в месте его расположения и разностной массы локала. Из основного уравнения следует, что в завихренной среде (при отсутствии массовой силы) на движущийся локал действует сила, направленная ортогонально его скорости. Исходя из этого, нами проведена аналогия между движением локала в завихренной среде и движением твердого тела во вращающемся пространстве.

Как показано нами, имеется также аналогия между движением локала в сплошной жидкой среде и движением заряженной частицы в электромагнитном поле. Сопоставлены вихрь невозмущенной (в отсутствие локала) скорости вещества в сплошной жидкой среде и напряженность магнитного поля, плотность массовой силы и напряженность электрического поля, разностная масса локала и заряд частицы. В соответствующих обозначениях основное уравнение динамики локала имеет форму известного закона силы для движущейся заряженной частицы в электромагнитном поле. Соотношение между невозмущенной скоростью среды и плотностью массовой силы приобретает форму закона Фарадея для электромагнитной индукции. Для завихренности среды выполняется равенство, аналогичное третьему уравнению Максвелла. Основные характеристики локала и среды связывает эволюционное уравнение, которое отличается от четвертого уравнения Максвелла только дополнительным слагаемым в левой части: даламберианом невозмущенной скорости.

Указанные аналогии позволяют использовать существующие представления и математический аппарат электромагнитной теории при расчете силового взаимодействия между средой в целом и лока-лом.

4. Возможности применения полученных общих теоретических результатов продемонстрированы применительно к мощным термодинамическим локальным процессам в атмосфере. Рассмотрены два мезомасш-табных термодинамических локальных процесса: восходящая струя грозо-градового процесса и всплывающий воздушный пузырь (термик). Эти процессы интерпретированы нами как слабо локализованные. В рамках бароклинной модели дополнительно учтена неоднородность атмосферы по влажности, водности, фазовому составу.

Показано, что уравнения равновесия движущегося квазистационарного атмосферного процесса имеют форму общих уравнений равновесия для локала, причем роль сторонней силы играет сила тяжести.

Из этих уравнений получен ряд следствий для взаимозависимостей параметров. Среднее по сечению разностное давление в восходящей воздушной струе связано со среднеквадратической скоростью горизонтального ветра. В свою очередь, разностное давление определяется расчетной разностью температур в струе и окружающей атмосфере. В нижней и верхней частях восходящей воздушной струи воздух холоднее, чем в окружающей атмосфере, а в средней — теплее. Усредненной оценкой отношения горизонтальной и вертикальной скоростей ветра в струе в целом является уг = |/~2 у2.

Исходя из основного уравнения динамики локала, исследовано горизонтальное движение воздушной струи при сдвиге ветра в атмосфере. Показано, что продольная и поперечная скорости восходящей струи по отношению к ведущему потоку определяются соотношением втока и циркуляции скорости в ее нижней части. При этом большая величина циркуляции приводит к замедлению движения грозо-градового облака по ведущему потоку и его отклонению вправо при вращении воздуха в струе против часовой стрелки (т.е. в циклональном налравлении для северного полушария).

Полученные нами теоретические выводы, относящиеся к восходящей струе грозо-градового процесса, подтверждены опубликованными данными наблюдений.

Далее рассмотрена трехмерная идеализированная модель движение воздушного пузыря (термика) в атмосфере. Сам пузырь принят за ядро локального процесса шарообразной формы. Вовлечение и смешивание воздуха пузыря и окружающей атмосферы не учитывается.

Воздушный пузырь содержит в себе более теплый воздух по сравнению с окружающей атмосферой и поэтому на него действует сила Архимеда, вызывающая всплывание пузыря вверх. Процесс всплыва-ния пузыря сопровождается компенсационным движением соседних слоев атмосферы вниз и внутренним движением воздуха внутри пузыря. Таким образом, воздух пузыря участвует одновременно в двух движениях: поступательном вверх и вращательном внутри ядра.

Согласно общим положениям гидродинамики энергия жидкости в области обтекания равна половине энергии шара Е как целого при его плотности, равной плотности жидкости, а присоединенная масса — половине массы шара. Нами показано, что энергия внутри пузыря лежит в пределах (0,7 — 0,9) Е. Полная энергия процесса всплыва-ния пузыря в 2,2 * 2,4 раза превосходит Е. Присоединенная масса равняется 1,2 — 1,4 собственной массы пузыря. Большая величина присоединенной массы заметно уменьшает величину ускорения первоначального воздушного пузыря. Этот факт поясняет то обстоятельство, что ранее вычисленные скорости (до 30 * 50 м/с по формуле Экслера) всплывания термиков никогда не измерялись на практике.

5. Получение достаточно полной информации о локальных процессах при натурных наблюдениях — сложная задача, так как их пространственная структура может быть установлена только в результате одновременного дистанционного измерения параметров во многих точках. При изучении атмосферных процессов, сопровождающихся образованием облачности, радиолокационные методы дают уникальную возможность получения такой информации, так как радиолокационный луч частично отражается от облаков и, в то же время, проходит через них, почти не затухая. Тем самым обеспечивается возможность практически одновременного наблюдения атмосферных процессов в полусфере обзора на расстоянии до 300 км.

Однако радиолокатор, как и любой измерительный прибор, не может воспроизвести имеющуюся информацию абсолютно точно. В связи с этим должна производиться оптимизация структуры и параметров и статистическая оценка достоверности, точности и разрешающей способности радара. Кроме того, актуальна задача использования дополнительной информации, скрывающейся в тонкой структуре сигнала метеоцели и позволяющей выделить метеоцель на фоне посторонних мешающих отражений.

При решении всех этих задач модель локального термодинамического процесса в атмосфере (локальная метеоцель) использована нами как опорная единица для сравнения истинных и наблюдаемых данных.

Первоначально рассмотрена задача обнаружения слабой метеоцели. Показано, что при одном периоде зондирования радиолокационный приемник, обеспечивающий оптимальное обнаружение локальной метеоцели заранее известных размеров на фоне белого шума, включает в себя сопряженный с зондирующим сигналом радиофильтр, детектор огибающей, квадратичное устройство, видеофильтр и пороговое устройство.

При синтезе методов и систем для выделения метеоцели на фоне шума и мешающих отражений от местных предметов (гор, зданий и т. п.) использовано отличие статистических характеристик соответствующих сигналов. Это отличие обусловлено тем обстоятельством, что сигнал метеоцели изменяется от периода к периоду зондирования вследствие изменений расстояний между облачными частицами, увлекаемых пульсациями скорости ветра. В то же время сигнал местных предметов от периода к периоду зондирования практически не меняется.

Показано, что оптимальная система обнаружения при многих периодах зондирования включает в себя последовательно установленные фильтры по дальности и по углу, квадратичное устройство, интеграторы по дальности и по углу и пороговое устройство. Оптимальный фильтр по дальности имеет полосу пропускания специальной формы, которая несколько шире спектра зондирующего импульса. Оптимальный фильтр по углу обеспечивает весовое суммирование данных многих периодов зондирования в каждом подинтервале дальности и может быть реализован посредством гребенчатого фильтра.

6. Известна оценка эффективности радара по отношению сигнал/шум на выходе приемного устройства. Применительно к метеорадиолокации рассмотрено это отношение при измерении удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) локальной метеоцели.

Показано, что мощность шума на выходе приемного устройства равна сумме трех слагаемых, обусловленных: наличием на входе системы шумастатистическими свойствами метеоцели, приводящими к возникновению метеошума., и взаимодействием сигнала метеоцели и шума в квадратичном устройстве, вызывающем появление комбинационного шума.

Отдельно рассмотрены задачи оценки эффективности при обнаружении слабой метеоцели и измерении параметров сильной. Показано, что для протяженной метеоцели величина отношения сигнал/шум при обнаружении увеличивается с увеличением времени интегрирования и увеличением длительности зондирующего сигнала. В то же время улучшение отношения сигнал/шум при измерении достигается при укорочении зондирующего сигнала. На практике длительность зондирующего сигнала должна выбираться из компромиссных соображений.

Показано, что пространственно-временное осреднение делает возможным обнаружение, если даже мощность сигнала ЛЦ меньше мощности шума. Становится возможным подпороговое обнаружение. Увеличение числа осредняемых периодов и времени интегрирования приводит к улучшению обнаружения и точности измерения УЭПР протяженной метеоцели. В известных метеорадиолокационных комплексах выигрыш в улучшении отношения сигнал/шум составляет потенциально не менее 25 раз. Это в принципе позволяет во столько же раз уменьшить мощность передатчика после установки системы осреднения.

7. Разрешающая способность радара характеризует возможности раздельного обнаружения и измерения параметров близкорасположенных целей. Применительно к метеолокации она определяется увеличением размеров локальной метеоцели при отображении по сравнению с истинными.

Показано, что разрешающая способность метеорадара в радиальном направлении не зависит от расстояния до радара и определяется протяженностями зондирующего импульса и переходных функций высокочастотного и низкочастотного фильтров приемника. В тангенциальном направлении разрешающая способность зависит от расстояния до радиолокатора, ширины диаграммы направленности антенны, угловой скорости антенны и длительности периода зондирования.

На некотором критическом расстоянии разрешающая способность одинакова по двум измерениям. Только на этом расстоянии круглые локальные метеоцели сохраняют свою форму, хотя их размеры увеличиваются. В других случаях эти цели будут индицироваться эллиптическими. На расстоянии меньшем, чем критическое, эллипс будет вытянут в радиальном направлении, на большем — в тангенциальном.

8. Вследствие пульсаций скорости ветра в облачности расстояние между облачными частицами хаотически меняется. Это приводит к изменениям сигнала на выходе радиолокационного приемника от периода к периоду зондирования, имеющим шумовой характер.

Показано, что на выходе некогерентного метеорадиолокационного приемника с логарифмической амплитудной характеристикой средняя величина абсолютного значения череспериодной разности сигналов пропорциональна стандарту радиальной скорости турбулентных пульсаций. Это обстоятельство использовано при разработке предложенного метода и устройства для измерения турбулентности посредством некогерентного радара.

Произведенные натурные измерения с использованием указанных метода и устройства показали, что положение локальных зон сильной турбулентности часто не совпадает с положением зон большой эффективной площади рассеяния. Особенно это характерно для локальных мощных мезомасштабных процессов в атмосфере. Очень часто максимум турбулентности бывает на границе облачности при ее наблюдении на волне 3,2 см и вне отображаемой зоны на длине волны 10 см. Исходя из этого, сделано заключение о преимуществе канала 3,2 см при наблюдении турбулентности.

9. Помимо отображения и оценки параметров локальных атмосферных процессов в естественных условиях разработанная теория и методы наблюдения использованы для отображения и оценки процессов в атмосфере при искусственном воздействии на них.

Показано, что для оценки эффекта воздействия в реальном масштабе времени целесообразно использовать величины изменений непосредственно измеряемых радиолокационных параметров таких, как УЭПР, высота и площадь облачных зон. При этом некорректно ставить задачу о расчете по радарным данным количественных характеристик физического эффекта при каждом воздействии, однако остается возможность ее решения по результатам большого количества опытов.